长洪岭隧道近距下穿江池镇高效减震爆破技术试验

阮清林

(中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009)

0 引言

在我国铁路、公路、城市地铁等工程领域，常常遇到隧道浅埋下穿地表密集建筑群，或从其附近穿过的情况。对于岩石隧道，采用钻爆法施工的居多。而《爆破安全规程》［1］中对下穿地表建(构)筑物的爆破允许振速有严格规定，因此施工中往往采用减震爆破技术通过。以往基于毫秒延期导爆管雷管使用的隧道减震爆破方法有反台阶法［2］和 CD 法［3］、超前下导后续扩挖面法［4］和分部开挖法等，其不足之处是:进尺短，一般控制在2 m以内［2-5］;需要增加临时支护，如导坑超前和分部开挖;分部开挖工效低，有的隧道即使在围岩较好具备大断面施工的条件下也不得不将断面分成多个部分开挖，如某机场路暗挖隧道，花岗岩地质，建筑物到爆破地点距离35 m，为保护地表建(构)筑物，而采用CD法开挖，爆破振速按1．0 cm/s控制，设计进尺在 1．5 m 以内［3］。

根据减震爆破理论，当边界条件相同时，爆破开挖的最大振动速度并不取决于一次起爆的总药量，而决定于某单段的最大用药量，减震爆破设计时要根据萨氏公式对其进行计算［6］。在使用毫秒延期导爆管雷管进行减震爆破时，在控制爆破振速的前提下，为最大限度地提高工效，布段时设计的单段装药量往往接近于根据萨氏公式计算出的最大单段装药量值，使得一个段别起爆的炮眼数量通常至少4个以上，周边眼可达到20多个。对于掏槽部分，为使掏槽成功，也需要集中爆破能量，而将多个炮眼放在一个段别进行起爆也是通常的做法。但这导致了爆破能量过于集中在一个段别，造成振速超限。而浅埋下穿城镇段地表及周边环境往往是比较复杂的，允许爆破振速等于甚至低于1．0 cm/s的建(构)筑物有时占有很大比例，这就对爆破提出了更高的要求，使施工变得更为困难。如本工程的长洪岭隧道下穿江池镇段，爆破安全振速为1．0cm/s的房屋就有28栋。在有些工程中，因爆破允许振速要求过低，而不得不采用非爆开挖方法，使施工效率大大降低，或者不得不采取人员临时搬迁等措施。

电子毫秒电雷管(Electronic Detonator)具有高安全、高精度、宽延期范围、延期在线设置、在线可编程等特点，是一种新型的爆破用雷管［7］。国外已广泛采用其进行减震爆破开挖，国内仅在为数不多的特殊重点工程中使用，技术还不是很成熟，特别是大断面隧道近距下穿地表建筑物全断面减震爆破开挖技术还有待发展。基于此，依托长洪岭隧道近距下穿江池镇段，对电子毫秒电雷管爆破减震机制和途径展开试验研究。

1 工程概况

长洪岭隧道长13 299 m，为渝利铁路第2特长单洞双线客货共线(开行双层集装箱)隧道，旅客列车设计行车速度为200 km/h，隧道出口端位于重庆市丰都县江池镇，隧道出口DK183+050～+350段长约300 m下穿江池镇，埋深较浅，覆盖层厚为22．7～43．5 m，地表建筑物密集(见图1)，且多为民用砖砌房屋，土坯房年代较久，房屋抗震性能差。隧道下穿段施工需要采用控制爆破开挖，设计要求控制振速不大于1．75 cm/s。专家风险评估要求不大于1．5 cm/s。有江马公路穿镇而过，交通条件较好。

图1 长洪岭隧道下穿江池镇段地表建筑物情况Fig．1 Plan layout of surface buildings above Changhongling tunnel crossing underneath Jiangchi town

DK183+480～+000段围岩情况好，较完整，掌子面围岩稳定。隧道全部均采用曲墙式带仰拱复合式衬砌，边墙与仰拱圆顺连接。断面面积为126．94～139．27 m2，为大断面隧道。

隧道采用钻爆法开挖。采用火工品有毫秒延期导爆管雷管、电雷管、电子毫秒电雷管、5号塑料普通导爆索和2号岩石乳化炸药(直径32 mm)。

2 电子毫秒电雷管及其爆破降震原理

2．1 电子毫秒电雷管及其起爆系统介绍

隆芯1号TM电子毫秒电雷管(LUX-No．1 Electronic Detonator)是铱钵起爆系统的核心组成部分，是我国具有自主知识产权的高安全、高精度、宽延期范围、在线可编程电子毫秒电雷管。

隆芯1号TM电子毫秒电雷管主要技术指标如下:

1)延期精度为0～100 ms，偏差小于1 ms;延期精度为101～16 000 ms，偏差小于1‰。

2)延期范围为0～16 000 ms，最小时间间隔1 ms。

3)延期方式为在线设置。

4)检测方式为在线检测。

5)抗电性能为抗220VAC、50VDC、25KV 静电、射频及杂散电流。

6)起爆方式为起爆器登录密码、起爆授权密码。

7)通信方式为两线制双向无极性组网通信。

8)使用温度为-40～+85℃。

铱钵起爆系统(Ebtronic Blasting System)是隆芯1号电子毫秒电雷管专用起爆设备，分为200型和5 000型2种。

2．2 电子毫秒电雷管爆破波干扰减震原理

根据有关资料，隧道爆破使用非电毫秒延期导爆管雷管时，为使爆破振动波形不叠加或较少叠加，合理微差时间是将雷管跳段使用，这样爆破振动速度基本只与最大单段装药量有关［1，8］。雷管跳段使用时，除1，3，5和7段之间时差小于100 ms外，其余跳段之间时差大于100 ms。而使用电子毫秒电雷管时，则与之相反，试图利用前后爆破波的干扰。当2个以上的波在同一质点相遇时，会产生干扰，这种干扰能加强或削弱峰值。隧道光面爆破时，每个段别，也就是单响，都会产生一个爆破振动波，当单响之间的延时差Δt小于振动波的持续时间时，先后到达质点的振动波就会产生干扰。在理想状态下，当两波的振动频率一致，Δt等于半波长的奇数倍时，两波叠加削弱最强。而实际情况下，由于地质、爆破参数、爆破部位不同等原因，每循环的爆破振动频率都会有差异，就是同一次爆破前后爆破波的振动频率也不尽相同。试验中就是要找出合适的电子毫秒电雷管延时差Δt。

3 隧道高效减震爆破开挖技术试验

3．1 本工程的普通雷管减震技术情况

本工程使用毫秒延期导爆管雷管，采用分部(2部或3部)减震开挖技术，单循环进尺控制在1．5 m左右，可以将地表振速控制在1．5 cm/s以下。其最大特点是开挖第1部下大导坑利用大楔形掏槽区进行设置，有效地加快了施工进度，降低了成本。全断面各分部炮眼数总和为160个左右，掏槽最大单段装药量为7．2 kg，导坑第1部单段炮眼数4～8个，第2部扩挖部分6～24个。电子毫秒电雷管爆破试验是以此种方法为基础进行的。

3．2 试验段环境条件

电子毫秒电雷管试验里程DK183+060～+000，隧道覆盖层厚为33．4～35．22m，岩体性质与地质条件并无太大变化。断面跨度为13．82 m，高为11．82 m。全断面开挖高度为9．98 m(边墙脚以上部分)，开挖断面面积为116．82 m2。该段地表为工区驻地，驻地房屋承受安全振速要求不大于2．0cm/s，抗震性相对较强。在工区驻地，便于人员组织疏散，试验条件有利。

3．3 炮眼布置和掏槽设计

电子毫秒电雷管开挖断面炮眼布置和掏槽设计见图2。

图2 开挖断面炮眼布置和掏槽设计图(单位:cm)Fig．2 Layout of blasting holes and design of cuts(cm)

3．4 爆破震动监测测点布置

试验测试内容为爆破震动效应，以地表垂直爆破震动峰值速度为指标。为全面了解浅埋隧道爆破引起的地表震动效应，试验中以隧道开挖掌子面(爆区)为中心，在地表沿隧道轴线布置震动测点，测点间距为5m。每次爆破在掌子面上方，掌子面后方5 m和10 m各设一个测点。其一般情况下布置形式如图3所示，过程中因建筑物影响测点情况也有变化。使用仪器为UBOX-5016爆破振动智能监测仪，直PS-4．5B垂检波器。

图3 振动速度测点的平面布置图Fig．3 Plan layout of vibration velocity monitoring points

3．5 电子雷管使用流程

领取电子毫秒电雷管—用EBR-812铱钵表对数码子雷管进行注册—雷管编号—用专用软件(EBtronic Plus)进行雷管延时设置—用专用软件(EBtronic Plus)进行电子毫秒电雷管起爆顺序演示—将雷管延时数据导入EBR-812铱钵表用来控制起爆顺序—装药前对现场工人进行现场交底—按炮眼孔号位置对应装入电子毫秒电雷管—将导线簇连成网—炸药雷管装好后用EBR-812铱钵表进行网络测试—人员撤至安全距离以外准备用铱钵起爆器起爆。

3．6 减震爆破试验

3．6．1 目的

试验证明:使用普通毫秒延期导爆管雷管采用分部开挖法，已可以将爆破振速降至1．5cm/s。但为了拓展钻爆法使用范围，减少临时支护量，并提高工效，验证电子毫秒电雷管减震爆破原理，取得全断面爆破相关参数、减震途径和规律等，并进一步降低地表爆破振速至1．0cm/s以下，形成全断面隧道高效减震爆破开挖技术，决定采用电子毫秒电雷管进行隧道爆破开挖试验。

3．6．2 试验方案特点及效果介绍

试验中采用电子毫秒电雷管的爆破方案有两部开挖中的下大导坑、全断面法，采用毫秒延期导爆管雷管的爆破方案有分部开挖楔形掏槽。爆破取得的进尺有1．5～2．8 m。其各种方案的爆破设计特点及典型效果见表1。

表1 试验方案特点及典型效果介绍Table 1 Characteristics of tests and their effects

3．6．3 电子毫秒电雷管全断面高效减震开挖技术

根据试验方案、试验次数及效果，可以得知采用电子毫秒电雷管全断面爆破时，将单响间延时差控制在2～54 ms，雷管总延时范围控制在0～693 ms是合适的，对地表建筑物的震动影响最低。此时典型的全断面炮孔布置及电子雷管布设见图4，装药参数见表2。获得的典型地表垂直震速波形如图5所示。

3．6．4 高效减震开挖技术分析及总结

采用电子毫秒电雷管进行隧道减震爆破主要与开挖方法、单孔单响、炮眼起爆顺序、雷管延时设置等相关。

1)开挖方法。根据隧道地质情况，可选择常规的施工方法，如全断面法和台阶法［9］。可以不因爆破振动原因而必须采用反台阶法、CD法、超前下导后续扩挖面法和分部开挖法等。爆破进尺可适当加大，依振速允许值调整。

2)单孔单响。若要实现单孔单响，必须依爆破振速允许值为依据，做好炮眼设计和单孔装药量控制，两者组合须能保证连续成功破岩。炮眼的间距相对较小，数量和密度相对较大。

其中掏槽眼最为关键，如本工程，使用楔形掏槽，在掏槽区面积基本不变的情况下，炮眼数量相对普通爆破增加了约1倍，由8～10个增加至16个，炮眼竖向间距调整至0．5 m左右。单孔装药量由6～7节增 加至8节。

图4 电子毫秒电雷管布置图Fig．4 Layout of electronic detonators

表2 爆破参数表Table 2 Blasting parameters

图5 振速波形图Fig．5 Vibration waves

3)炮眼起爆顺序。单元间起爆的总体顺序与普通爆破宜相同，即:由内向外逐层起爆，先掏槽，而后辅助眼、周边眼光面爆破，最后底板眼。但因是单孔单响，各起爆单元内炮眼应选择合理的起爆顺序，原则为持续扩槽，不宜跳孔起爆。如本工程的起爆顺序，其中掏槽眼的起爆顺序为隧道中线左右侧呈对称螺旋形交替连续起爆。

4)雷管延时设置。雷管延时数值根据炮眼起爆顺序和单孔单响从小到大设置，最大延时值不宜过大。由于周边眼药量较小和光面爆破要求，可设置2孔以上单响，但炮眼数不宜过多。单响延时差使前后爆破波叠加干扰降低震动，避免共振。延时差可根据爆破振动波形频率和波长计算选取。采集单响爆破波形，更有助于延时差的设置［10］。

4 与其他工程减震技术对比

本技术与其他类似工程减震技术比见表3。

表3 本技术与其他类似工程减震技术对比Table 3 Comparison and contrast among different vibration-minimizing technologies

5 结论与讨论

1)电子毫秒电雷管在隧道爆破干扰降震和工效方面成效是显著的，相对毫秒延期导爆管雷管降低振速可达30%以上，并且振速的控制相对较稳定。其成功运用，可以拓展隧道钻爆法的施工范围，对隧道长距离下穿地表建筑群具有较大的参考意义。同时，其可进行隧道大断面爆破，可减少临时支护，提高施工工效。

2)在保证减震目标值情况下，雷管最大延时要适当控制，以减少震动持续时间，对保护临近结构物有利。

3)隧道电子毫秒电雷管减震爆破最大振速未必出现在掏槽部位。

4)隧道电子毫秒电雷管减震爆破时应配套进行爆破震动监测，并根据振速监测波形最大振速、频率、波形等信息，分析爆破振速效果，指导爆破参数调整。

5)电子毫秒电雷管是新型爆破材料，在以后的实践中还需要进一步积累经验。研制模拟爆破减震软件，使用工程中的单孔单响爆破波参数进行爆破模拟，或许对将来有实际帮助意义。

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